瀝青路面在使用期開裂是世界各國普遍存在的問題,且不論其基層是柔性的還是半剛性的。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進(jìn)入水分,使基層甚至路基軟化,導(dǎo)致路面承載力下降,產(chǎn)生唧漿、臺(tái)階、網(wǎng)裂等病害,從而加速路面破壞。
1 瀝青路面開裂原因
(1)瀝青路面開裂的主要原因可分為兩大類:一種是由于行車荷載的作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫,一般稱之為荷載型裂縫。另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫度裂縫,包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫,一般稱之為非荷載型裂縫。(2)由于我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。所以還存在著因?yàn)榘雱傂曰鶎拥臏乜s裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。此類裂縫主要是非荷載型的,在某些情況下也可能是由溫度和荷載共同完成的。
2 瀝青路面裂縫應(yīng)力分析
2.1結(jié)構(gòu)性破壞裂縫
(1)瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫主要是由于行車荷載引起的。在車輪荷載作用下,大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),半剛性基層的底部就會(huì)很快開裂。在行車荷載的反復(fù)作用下,底部的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部,并使瀝青面層也產(chǎn)生開裂破壞。影響拉應(yīng)力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。選取不同的瀝青面層厚度和半剛性基層厚度,通過試驗(yàn)得出半剛性基層底部的拉應(yīng)力與半剛性材料回彈模量間的關(guān)系曲線。
(2)在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層,可使基層底面由行車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力明顯減小,甚至還小于半剛性底基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力,這對(duì)半剛性基層承受行車荷載的反復(fù)作用是十分有利的。
2.2溫度裂縫
瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種,一種是低溫收縮裂縫或簡(jiǎn)稱低溫裂縫,另一種是溫度疲勞裂縫。
2.2.1低溫裂縫
瀝青材料在較高溫度條件下,具有良好的應(yīng)力松馳性能,溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力,但當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí),瀝青材料逐漸發(fā)硬并開始收縮。此時(shí)半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力瀝青混合料的應(yīng)力松馳趕不上溫度應(yīng)力增長,混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的,面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度,瀝青面層就會(huì)開裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時(shí),裂縫就更容易發(fā)生。由于瀝青路面寬度有限,收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小,所以低溫裂縫主要是橫向的。
2.2.2溫度疲勞裂縫
這種裂縫主要發(fā)生在日溫差大的地區(qū)。由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青面層溫度應(yīng)力疲勞,使瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變(或勁度模量)變小,加上瀝青的老化使瀝青勁度增高,應(yīng)力松馳性能降低,最終達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度使路面產(chǎn)生裂縫。
2.2.3光彈試驗(yàn)
在面層和基層均無裂縫的情況下,表面降溫30℃,在瀝青面層中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布。在面層已有裂縫時(shí),光彈試驗(yàn)得到的溫度應(yīng)力分布狀況。
一方面溫度向?yàn)r青面層底部傳遞需要一定的時(shí)間,不是瞬時(shí)完成的,而且瀝青面層內(nèi)部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同,始終有溫度差,即瀝青面層中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚,表面溫度與底部溫度差愈大,層間溫度梯度也愈大。
另一方面瀝青面層表面的溫度應(yīng)力隨著面層的增厚而增加,面層內(nèi)的應(yīng)力隨深度而很快減小,同時(shí)面層表面的溫度應(yīng)力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開裂,隨著持續(xù)低溫或另一次降溫,在裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個(gè)瀝青面層;由于面層底部與基層表面的粘結(jié)作用,裂縫呈現(xiàn)上寬下窄現(xiàn)象。